楚文娟，崔建华，王建民，冯银龙，田海英，纪晓楠，郭丽霞，鲁 平*，董 浩

1.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市经济技术开发区第三大街8号450000

2.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道136号450002

3.国家烟草质量监督检验中心，郑州高新技术产业开发区翠竹街6号450001

卷烟包灰性能是指卷烟燃烧过程中消费者所感受的烟灰外观视觉效果，是消费者评价卷烟质量、区别卷烟档次的重要指标［1］。近年来烟草行业致力于提升卷烟结构，卷烟包灰性能越来越受到各卷烟工业企业的重视，并被列为开发中高档卷烟产品的质量目标。因此，改善卷烟包灰性能，提高消费者满意度，对于提升卷烟产品竞争优势具有重要意义。卷烟纸、叶组配方作为直接参与卷烟燃烧的两大主体，是影响卷烟包灰性能的主要因素［1-3］。陈慧斌等［4］研究了卷烟纸参数和叶组配方对卷烟包灰性能的影响，采用目测方法评价了包灰松紧度、外翻灰片数量、灰分颜色和灰面裂纹，结果显示卷烟纸的透气度、定量、助燃剂含量、包灰助剂以及叶组配方中的再造烟叶掺兑量对卷烟包灰性影响显著。张莹等［5］提出了卷烟凝灰指数的概念，研究结果表明卷烟纸对卷烟的凝灰性具有重要作用。王道宽等［6］研究发现随着卷烟纸助燃剂的减少以及助燃剂中钾钠比（柠檬酸钾与柠檬酸钠的质量比，下同）的降低，卷烟包灰性能改善明显；三丝对卷烟包灰性能的影响程度为膨胀烟丝＜再造烟叶丝＜梗丝。赵宏［7］研究发现卷烟纸的灰分、助燃剂种类及其质量分数、纸张均匀性、纸张的两面差（由于卷烟纸背面即与烟丝接触面涂布有助燃剂，造成卷烟纸的正面与背面有一定差异）等因素均会影响卷烟包灰性能。邹中亮等［8］采用人眼观察和相机拍照相结合的方法研究了卷烟纸参数对卷烟包灰性能的影响，结果表明卷烟纸定量越大其包灰效果越好，燃烧速度越快，但定量超过一定数值后卷烟纸与烟丝的燃烧匹配性变差，容易造成“炸灰”“落头”等现象，而透气度对卷烟纸的包灰性能影响较小。于龙国［1］研究发现卷烟纸的定量、罗纹方式、助燃剂种类与质量分数、钾钠比等因素对卷烟的包灰值（裂口率）有较大影响。程占刚等［9］研究发现卷烟纸的透气度、定量、凝灰助剂、助燃剂含量（质量分数）、再造烟叶比例以及滤嘴长度等因素会对卷烟包灰效果产生影响。郑丰等［10］采用层次分析法建立了定量评价卷烟包灰综合性能的方法，并研究了卷烟纸参数对包灰综合性能的影响。虽然对于卷烟包灰性能已有较多研究，但大多集中在裂口率及灰色等指标，未能客观全面地表征卷烟包灰性能，测试方法多采用主观判断方式，测试设备自动化程度较低，测试结果的准确性和客观性存在一定问题。为此，基于计算机视觉技术研究了卷烟纸透气度等参数对卷烟静态包灰性能的影响规律，旨在为改善卷烟包灰性能提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

材料：卷烟纸（牡丹江恒丰纸业股份有限公司）；接装纸（定量41 g/m2，长度64 mm，透气度150 CU的烫印接装纸，河南省新郑金芒果实业总公司）；滤棒（圆周24.1 mm，长度100 mm，压降3 000 Pa，焦作市卷烟材料有限公司）；其余辅材参数均相同，烟丝的配方和批次相同（河南中烟工业有限责任公司提供）。

仪器：BACST600型卷烟燃烧外观性能测定仪（河南中烟与中科院安徽光学精密机械研究所联合研制）；ZJ17卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）；GDX2包装机组(意大利GD公司)。

1.2 方法

1.2.1 卷烟纸样品设计与制备

基准卷烟纸定量为32 g/m2，透气度为60 CU，助燃剂中钾占比为50%［柠檬酸钾质量/（柠檬酸钾质量+柠檬酸钠质量）×100%］，助燃剂含量为1.3%（质量分数），灰分为20%，包灰助剂为磷酸盐且质量分数为0.7%。按照每次只变化一个参数，其他参数固定的原则制备卷烟纸样品（用于单因素实验），设计参数见表1。再采用同一配方烟丝，使用同一卷包设备、同一组操作人员制备卷烟样品。

表1 卷烟纸样品的设计参数Tab.1 Design parameters of cigarette paper samples

1.2.2 卷烟纸参数测定

按照国家或烟草行业标准［11-14］规定的方法分别测定卷烟纸透气度、定量、助燃剂中钾占比、助燃剂含量、灰分共5个参数。

1.2.3 卷烟样品的平衡与筛选

检测前卷烟样品在温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%的环境中平衡不少于48 h，然后按照平均质量（20支卷烟总质量/20）±0.02 g的标准筛选待测烟支。

1.2.4 检测方法

采用计算机视觉技术，通过轮廓检测、连通域形态分析、骨架提取等图像分析方法［15-17］，得到卷烟样品的燃烧外观性能参数；再采用基于meanshift均值漂移的图像分割算法［18］，提取烟支长度在30%～80%范围内的图像，分别计算不同燃烧面（卷烟正面、卷烟纸搭口面）的灰色、裂口率、碳线宽度、碳线整齐度、缩灰率，取2个燃烧面的平均值作为该支卷烟的测定结果，取20支卷烟的平均值作为最终测定结果。

1.2.5 静态包灰指标

（1）灰色，表征灰色的白度。将烟支竖直静燃，采用基于meanshift均值漂移的图像分割算法提取卷烟燃烧区域，获取非裂口平均灰色值；按照标准白板的标定系数对平均灰色值进行校正，并将校正结果作为区域内灰烬的灰色值，数值越大，灰色越白。

（2）裂口率，表征卷烟燃烧包灰能力。烟支竖直静燃后，计算卷烟纸灰烬上裂口面积（S裂口）与卷烟纸灰烬总面积（S灰烬）的比值作为裂口率，数值越小，包灰能力越强。

（3）碳线宽度，表征碳线的粗细。将烟支竖直静燃，每隔60 s对烟支进行拍照，计算碳线区面积与骨架长度的比值作为卷烟纸阴燃处碳线宽度值，数值越小，碳线越细。

（4）碳线整齐度，表征碳线上下方向的整齐度。将烟支竖直静燃，每隔60 s对烟支进行拍照，计算y轴方向碳线最高点与最低点的高度差作为碳线整齐度，数值越小，碳线越整齐。

（5）缩灰率，表征卷烟燃烧包灰松紧能力。计算烟支燃烧前后烟支直径的比值作为缩灰率，数值越小，包灰越紧。

1.2.6 统计分析方法

采用SPSS 19.0软件［19］进行统计分析。其中，相关性分析、多元线性回归分析运用SPSS 19.0进行Pearson简单相关分析和双侧t检验。

2 结果与讨论

2.1 卷烟纸参数测定结果

卷烟纸样品单因素实验结果见表2。可见，实测值与设计值基本一致，数值间隔较均匀，能够满足后续实验要求。

2.2 卷烟纸参数对静态包灰指标的影响

相对标准偏差（RSD）能够消除不同量纲差异对分析结果的影响，客观地反映卷烟纸参数对静态包灰指标的影响程度。基于表2中数据通过计算实测值的RSD分析卷烟纸参数对静态包灰指标的影响，结果见表3。可见，同一卷烟纸参数对不同静态包灰指标的影响差异较大，同一静态包灰指标受不同卷烟纸参数的影响差异也较大。卷烟纸参数对静态包灰指标的影响程度由高到低是灰分＞定量＞助燃剂中钾占比＞助燃剂含量＞透气度，静态包灰指标受5个卷烟纸参数的影响程度由高到低是裂口率＞碳线宽度＞灰色＞缩灰率＞碳线整齐度。表明卷烟纸参数对静态包灰指标的影响具有复杂性。

表2 卷烟纸参数设计值及实测值Tab.2 Design parameters and measured values of cigarette paper samples

表3 卷烟纸参数对静态包灰指标的影响Tab.3 Significance of cigarette paper parameters on ash integration indexes of statically burning cigarette（%）

2.3 卷烟纸参数与静态包灰指标间的定性关系

卷烟纸参数与静态包灰指标间简单相关分析结果见表4。结合相关系数和P值可知，透气度与裂口率、碳线宽度间呈极显著正相关，与碳线整齐度间呈正相关关系且接近显著水平；定量与灰色间呈极显著正相关，与裂口率间呈极显著负相关，与缩灰率间呈正相关关系且接近显著水平；助燃剂含量与碳线宽度间呈极显著正相关，与灰色间呈极显著负相关，与缩灰率间呈显著负相关；助燃剂中钾占比与灰色、裂口率间呈极显著正相关；灰分与灰色、缩灰率间呈极显著正相关，与裂口率、碳线宽度间呈极显著负相关，与碳线整齐度呈显著正相关。

表4 卷烟纸参数与静态包灰指标间简单相关分析结果Tab.4 Results of simple correlation analysis between cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

静态包灰指标与卷烟纸参数的多元线性回归分析结果见表5。由1.2.5节可知，当灰色增大、裂口率减小、缩灰率减小、碳线宽度减小、碳线整齐度减小时，静态包灰性能呈向好趋势，反之则呈向差趋势。结合表5分析可知：①定量、助燃剂含量、助燃剂中钾占比和灰分对灰色有极显著影响，随着定量、助燃剂中钾占比和灰分的升高灰色呈向好趋势，随着助燃剂含量的升高灰色呈向差趋势；②定量、助燃剂中钾占比和灰分对裂口率有极显著影响，透气度对裂口率有显著影响,且随着定量和灰分的升高裂口率呈向好趋势，随着透气度和钾占比升高裂口率呈向差趋势；③助燃剂含量和灰分对缩灰率有极显著影响，随着助燃剂含量的升高缩灰率呈向好趋势，随着灰分的升高缩灰率呈向差趋势；④透气度、助燃剂含量、助燃剂中钾占比和灰分对碳线整齐度有显著或接近极显著影响，随着4个参数的升高碳线整齐度均呈向差趋势；⑤助燃剂含量和灰分对碳线宽度有极显著影响，随着灰分的升高碳线宽度呈向好趋势，随助燃剂含量的升高碳线宽度呈向差趋势。

表5 静态包灰指标与卷烟纸参数的多元线性回归分析结果Tab.5 Results of multiple linear regression analysis between ash integration indexes of statically burning cigarette and cigarette paper parameters

根据相关分析、多元线性回归分析结果可得到卷烟纸参数与静态包灰指标的定性关系，见表6。结合表4、表5可知，相关分析结果与多元线性回归分析结果基本一致，其中灰分对5个静态包灰指标均有极显著或显著影响，随着灰分的升高灰色、裂口率、碳线宽度呈向好趋势，缩灰率、碳线整齐度呈向差趋势；助燃剂含量对灰色、缩灰率、碳线宽度和整齐度有极显著或显著影响，随着助燃剂含量的增加缩灰率呈向好趋势，其他3个指标呈向差趋势；助燃剂中钾占比对灰色、裂口率、碳线整齐度有极显著影响，随着助燃剂中钾占比的升高灰色呈向好趋势，裂口率、碳线整齐度呈向差趋势；透气度对裂口率、碳线整齐度、碳线宽度有极显著或显著影响，随着透气度的增加3个指标均呈向差趋势；定量对灰色、裂口率有极显著影响，随着定量的增加灰色、裂口率均呈向好趋势，缩灰率呈向差趋势。

表6 卷烟纸参数与卷烟静态包灰指标间的定性关系Tab.6 Qualitative relationships between cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

2.4 卷烟静态包灰综合评价指标的构建

由于不同静态包灰指标受卷烟纸参数的影响程度不同，在对卷烟纸参数进行优化时应重点考虑影响大的指标、兼顾影响小的指标。为此，构建了一个卷烟静态包灰综合评价指标：①对表3中各个指标的平均RSD进行归一化处理得到各个指标的权重，依次是灰色0.114，裂口率0.593，缩灰率0.045，碳线整齐度0.039，碳线宽度0.209；②将各个指标转换为T得分以统一量纲；③将5个指标的T得分进行权重加和得到综合T得分（T综合）。考虑到各项指标的要求且希望综合T得分为正，在进行加和时裂口率、缩灰率、碳线整齐度、碳线宽度4项望小型指标取正值，望大型指标灰色取负值。因此，综合T得分为望小型指标。卷烟纸参数及静态包灰指标的实测值及T得分见表7，结果表明随着卷烟纸参数的变化，综合T得分介于38.17~41.68 之间，平均得分为40.17。

表7 卷烟纸参数及静态包灰指标的实测值及T得分Tab.7 Measured values and T scores of cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

2.5 基于卷烟纸参数的静态包灰综合评价指标预测模型

将25个卷烟样品的静态包灰综合评价指标T综合与透气度、定量、助燃剂含量、助燃剂中钾占比、灰分进行多元线性回归分析，结果见表8和表9。由表8可知，该回归方程的P值小于0.05，决定系数R2为0.851，说明该回归方程有统计学意义［20］，由于标准化系数的绝对值越大，对T综合的影响越大，由表9可知，卷烟纸参数对综合静态包灰性能的影响顺序为灰分＞定量＞助燃剂含量＞助燃剂中钾占比＞透气度。卷烟纸参数与T综合的定性关系为：随着灰分、定量的升高，T综合降低，综合静态包灰性能向好；随着透气度、助燃剂含量和助燃剂中钾占比的升高，T综合升高，综合静态包灰性能向差，这与前面的研究结果一致。

表8 回归模型概述表Tab.8 Overview of regression model

表9 回归系数检验表①Tab.9 Test results of regression coefficients

为进一步验证该回归方程计算值的准确性，对T综合进行了内部验证，结果见图1。可见，回归方程预测值与实际值的线性相关线斜率为0.840，R2为0.851，说明计算值与实测值吻合度较好。表明可以利用该回归方程调节卷烟纸参数，进而实现卷烟静态包灰性能的调控。

图1 T综合内部验证图Fig.1 Internal verification of Tcomprehensive

3 结论

综合RSD分析、简单相关分析和多元线性回归分析结果可知，卷烟静态包灰指标受5个卷烟纸参数的影响程度不同，由高到低的顺序为裂口率＞碳线宽度＞灰色＞缩灰率＞碳线整齐度。依据各静态包灰指标受卷烟纸参数影响的程度设定权重，构建了一个卷烟静态包灰综合评价指标，然后采用多元线性回归分析的方法建立了基于5个卷烟纸参数的预测模型。由预测模型可知，卷烟纸参数对卷烟综合静态包灰性能的影响顺序为灰分＞定量＞助燃剂含量＞助燃剂中钾占比＞透气度，且随着灰分、定量的升高，静态包灰综合指标呈向好趋势，随着助燃剂含量、助燃剂中钾占比和透气度的升高，静态包灰综合指标呈向差趋势。